同心油管井氮气隔热井筒传热模拟技术 本发明涉及一种用于稠油注蒸汽开采的井筒传热模拟技术。
注蒸汽热力开采是国内外稠油井的主要采油方式。在此种开采方式下，要提高稠油热采经济效益就必须控制注汽成本，然而，目前现场通常采用的隔热管加封隔器井筒隔热技术存在着注汽干度损失大、蒸汽利用率低因而成本较高的问题，并且，随着热注轮次和时间增多套管在高温高压作用下损坏严重。为解决上述问题，一些油田采用在注汽油管与套管环形空间直接充氮气的井筒隔热技术，并取得了较好的实施效果。但是，由于现场情况复杂，影响隔热效果的因素较多，使得该技术的有效实施与推广受到限制，因而需要对注汽热采井氮气隔热井筒传热状况进行模拟研究，弄清影响因素和技术界限，以便指导现场实施，减少或降低不必要的投资和生产成本。
本发明的目的在于提供一种用以开展同心油管注汽井氮气隔热井筒传热室内物理模拟研究，从而实现对现场同心油管注汽井环空充氮气隔热工艺的全面评价、确定技术界限、科学指导现场实践的同心油管井氮气隔热井筒传热模拟技术。
本发明是这样实现的。该技术乃是在几何相似、热力学相似力学相似的前提下，建立一个耐温350℃、耐压20MPa的井筒模型，并利用该模型进行井筒传热模拟，分析油套管环空注入介质的温度、压力对井筒传热的影响程度，依据结果探讨井筒温场分布情况，评价油套环空充填氮气隔热的效果。该技术的实施步骤及要点如下：
1、建立井筒模型。该模型由井筒本体、绝热密封系统、保温恒温系统、加热温控系统和数据采集处理系统组成。井筒模型应与实际注汽井达到以下几个相似：
(1)几何相似a.模型径向几何尺寸上，从油管中心到水泥环外缘按1∶1的比例模拟注汽井井身结构及尺寸，如下表所示：内油管，mm外油管，mm套管，mm水泥环，mm内径外径内径外径内径外径外径62.0 73.02 100.5 114.30 161.7 177.8 247.8
水泥环外缘至地层尺寸的模拟通过数值模拟计算，利用40mm厚的石英砂环模拟一定注汽时间内地层热阻来实现；b.模型纵向几何尺寸上，以沿井筒方向温度分布方程式为基础，利用注汽井温度场分析软件求得纵向各层温度分布，其结果表明1.5m的井筒长度设计条件下模型纵向稳定温场长度达1.2m以上，完全胜任研究需要，故设计井身有效长度为1.5m；
(2)热力学及一定地力学相似a.模型取材保证热力参数相似，油管中心到水泥环外缘各层管取材及水泥环材质均与现场完全一致；地层采用40mm厚的石英砂，相当于注蒸汽15天的地层热阻，可满足研究需要，粒径配比上，20目、40目、60目、120目四种粒径的石英砂各占四分之一；b.绝热密封系统设计实现传热过程相似，采用高温压制定型可耐温450℃、耐压35MPa的密封环，保证油套管之间、同心油管之间相互绝热，保证同心油管间隔热层处于可调的真空状态，油套管环空密封；c.保温、恒温系统设计实现模型外围传热相似，在石英砂层的外部安装循环水套，利用恒温水浴对模拟地层进行加热和恒温；d.利用加热温控系统实现热量供给，可采用直接注蒸汽加热整个井身，亦可在油管内充填导热油，由电加热管和温控表共同控制井筒加热温度，实现热量供给的热力学相似。
(3)井筒模型除满足与注汽井上述几个相似的基本条件外，其内部还装有温度传感系统，外部则配有数据采集处理系统，即在油管、套管、水泥环外壁和模拟地层的8个不同半径处分别安装有热电偶，形成纵向5层、径向分为8列的温度监测系统，各测点温度通过计算机自动采集。
2、井筒传热模拟：
(1)数值模拟应用井筒传热数值模拟(包括数据输入、模拟计算)，针对不同试验方案的计算结果分析油套管环空注入介质的温度、压力对井筒传热的影响程度，依据结果探讨井筒温场分布情况；
(2)验证试验 通过模型耐温、耐压性能测试、物理模拟所监测的井筒径向传热温场与数值理论计算温场的符合性，验证物理模型是否达到技术指标，能否满足物模研究需要；
(3)物理模拟a，从内油管连续注入不同温度、一定流速的干饱和蒸汽，油套管环空注入氮气，注氮静态压力等于与饱和蒸汽温度相对应的饱和蒸汽压力，评价不同温度、不同注氮压力条件下井筒总的传热效果；b，从内油管连续注入一定温度、一定流速的干饱和蒸汽，油套管环空注入不同压力的静态氮气，评价同一注汽温度、不同注氮压力条件下井筒氮气隔热效果；c，从内油管注入某一温度干饱和蒸汽，油、套管环空注入静态氮气，同心油管间隔热层环空在不同真空度工况下，测定井筒温场分布，评价真空度对井筒隔热效果的影响；d，在油套管环空保持连通的状态下，从内油管连续注入一定温度的饱和蒸汽，由套管环空注入不同压力的氮气，评价氮气隔热工艺的技术界限。
3、利用数值模拟、物理模拟结果，全面评价油、套管环空充填氮气隔热效果。
本发明提供的氮气隔热井筒传热模拟技术和同心油管井油套管环空注氮气隔热井筒传热物理模型可以实现不同注汽工况下井筒传热过程的物理模拟研究，对油套环空不同隔热工艺的隔热效果进行全面评价，并可确定相关隔热技术的技术界限、可行性、影响因素和适用范围，从而指导现场实践，避免盲目操作及氮气的无谓浪费，对控制稠油生产成本、提高蒸汽热利用率和隔热工艺水平有重要意义，宜于广泛应用。
图1为本发明提供的同心油管氮气隔热井筒物理模型。
图2为氮气隔热井筒传热物理模拟系统流程图。
以下结合附图对本发明的实施作进一步说明。
如图1所示，本发明提供的氮气隔热井筒物理模型由保温端盖1、支架2、外壳体3、内壳体4、模拟地层5、水泥环6、套管7、外油管8、内油管9、隔热层10、隔热密封环11、控制板12、温控表13、热电偶14和底座15组成。其中，内、外壳体4、3之间的环形空间构成循环水套。模拟地层5由厚40mm、粒径配比20目、40目、60目、120目各占1/4的石英砂构成。套管7采用材质为N80的7″套管。内油管9、外油管(即隔热管)8分别采用材质N80的21/2″油管和4″油管。隔热层10为充填在内外油管之间的。控制板12上设有温控表13以及蒸汽注入口16、氮气注入口17、氮气出口18、蒸汽出口19、抽真空口20和热电偶信号线插口21。热电偶14分别安装在外油管8、套管7、水泥环6外壁和模拟地层5中8个不同半径处，形成纵向5层、径向8列的温度监测系统，与由热电偶信号线插口21引入的信号线相连接，各测点温度由计算机自动采集。
如图2所示氮气隔热井筒传热物理模拟系统以井筒模型为中心，由氮气瓶、高压容器、增压泵、直空泵、冷凝器、恒温水溶、水源、高压计量泵、蒸汽发生器、回压阀、收集器等装置构成。